Forschungsprojekte

Die Anwendung zeitaufgelöster Tomographie mit Akquisitionsraten über 25 pro Sekunde (Tomoskopie
genannt) kombiniert mit simultaner Diffraktion wird zur Beantwortung von Fragestellungen
vorgeschlagen, die mit schnellen Änderungen in metallischen Systemen zusammenhängen. Es soll, (i)
ein Verständnis des Schäumprozesses von Metallen erreicht und Blasennukleation und -wachsum,
Gasdiffusion und Schaumalterung verstanden werden, (ii) die Bildung von Dendriten, intermetalischer
Phasen und Poren in Gusslegierungen unter industriellen Abkühlbedingungen untersucht werden, (iii)
Erkenntnisse über Phänomene in der Einflusszone eines Lasers beim Schweißen oder Schneiden oder
(in Pulvern) während des 3D Druckens erarbeitet werden. Die Experimente erfordern die Konstruktion
von Probenumge-bungen zur Untersuchung von Proben unter variablen Bedingungen (Aufheizung,
Schmelzen, ggf. Schutzgasumgebung), während sie mit bis zu 6000 UPM rotieren und kontinuierlich
Rönt-genradiogramme aufgenommen werden, aus denen bis zu 200 volle Tomogramme pro Se-kunde
berechnet werden. Eine essentielle Aufgabe ist die Entwicklung von Programmen zur Bewältigung der
gewaltigen Datenmengen, insbesondere zur automatisierten Rekonstruktion und Bildanalyse (u.a.
quantitative Phasenanalyse, verfolgen von einzelnen Merkmalen etc.).

• Antragsteller: Professor Dr. John Banhart
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408321454

Der zum Teil geplante Umstieg auf Wasserstoff als Energielieferant in Luftfahrt, Schienenfahrzeug-,
Schiffs- und Straßenverkehr erfordert ständige Innovationen, um im globalen Wettbewerb eine
führende Rolle einzunehmen. Hierzu zählt auch die Weiterentwicklung und Qualifizierung von neuen
Materiallösungen. Im Rahmen des Projektes AluScaL, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Klimaschutz gefördert und vom Projektträger Jülich betreut wird soll das Potential von Scandium (Sc)
als festigkeitssteigerndes Legierungselement in Aluminiumlegierungen untersucht und am Beispiel
einer Anwendung aus der Wasserstoffmobilität aufgezeigt werden.
Scandium ist ein bereits seit längerem bekanntes Legierungselement, welches die mechanischen
Eigenschaften von Aluminiumlegierungen, insb. die Festigkeitseigenschaften, stark verbessern kann.
Der hohe Preis von Scandium sowie die Monopolstellung einzelner Länder bei der Bereitstellung
haben einem breiten Einsatz von Aluminium-Scandium-Legierungen (Al-Sc-Legierungen) bisher
entgegengestanden. Durch kanadische, australische, aber auch europäische Initiativen ist es in den
vergangenen Jahren gelungen, neue Vorkommen zu erschließen und neue Prozessrouten für die
Scandiumgewinnung zu entwickeln. Dadurch ist mit einer signifikanten Reduktion des jetzigen
Scandiumpreises zu rechnen wodurch sich breitere Anwendungsfelder ergeben.
Das Ziel im Projekt AluScaL ist es, die Prozesskette von der Rohstoffgewinnung, der
Legierungsentwicklung und der Fertigung bis zum Bauteil darzustellen und die Tauglichkeit für den
Leichtbau und Wasserstoffanwendungen nachzuweisen. Als Pilotanwendung dient ein
Wasserstoffventil der Anleg GmbH. Für die Halbzeug- und Pulverherstellung wird das sogenannte
Sprühkompaktieren durch die Firma Gränges Powder Metallurgy GmbH näher untersucht. Bei den
Unternehmen Rosswag GmbH und LEIBER Group GmbH & Co. KG erfolgt die eigentlich
Bauteilfertigung. Dabei wird bei der Rosswag GmbH das Ventil additiv gefertigt und bei der LEIBER
Group ein klassischer Schmiedeprozess zur Fertigung genutzt. Für die abschließende spanende
Bearbeitung entwickelt die Gühring KG entsprechende Zerspanungswerkzeuge. Wissenschaftlich wird
das Projekt durch das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB Berlin) und
das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR, Institut für Fahrzeugkonzepte) begleitet. Das
HZB ist für die Legierungsentwicklung und In-Situ Analysen verantwortlich. Das DLR ist
Konsortialführer und bearbeitet im Projekte die Charakterisierung und Simulation der neu
entwickelten Al-Legierungen. Als assoziierte Partner unterstützen Rio Tinto Alcan International aus
Kanada, Recaro Aircraft Seating GmbH & Co. KG und Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH das
Projekt. Das Al-Sc-Master-Alloy wird dem Konsortium von der Firma Rio Tinto zur Verfügung gestellt.
Des Weiteren unterstützt Rio Tinto das Projekt durch seine Expertise im Bereich der
Legierungsentwicklung. Für die Partner Recaro Aircraft Seating und Liebherr-Aerospace stehen die
jeweilige Anwendung und der Technologietransfer in andere Branchen im Vordergrund.
Durch dieses breit aufgestellte und leistungsfähige Konsortium ist eine vollumfängliche Betrachtung
und Bewertung der entwickelten Legierungssysteme und Baugruppen möglich. So können neue
Anwendungen erschlossen und das Potential von Al-Sc-Legierungen branchenübergreifend voll
ausgeschöpft werden. Zudem wird ein wichtiger Beitrag für die Technologieführerschaft im Bereich
der Wasserstofftechnologien in Deutschland geleistet.

Die Klasse der Al-Mg-Si Legierungen (6000er Serie) wird untersucht. Ziel ist, die
Ausscheidungsprozesse bei Raumtemperatur (im weiteren Sinne auch zwischen ca. -20°C bis ca. 70°C)
unmittelbar nach dem Abschrecken von der Lösungsglühtemperatur besser zu verstehen und einen
Zusammenhang zum nachfolgenden Warmaushärteprozess herzustellen. Zur Anwendung kommt ein
Multimethoden-Ansatz, bei dem die Kinetik der frühen Ausscheidung in verschiedenen Legierungen
mittels in-situ Messungen des elektrischen Widerstandes und der Positronenlebensdauer sowie
schneller ex-situ Messung der Härte und der Wärmetönung erfasst wird. Die bereits erkannte klare
Mehrstufigkeit des Ausscheidungsprozesses soll für verschiedene rein binäre, ternäre und höhere
Legierungen mit weiteren Legierungselementen etabliert werden. Aus der Temperaturabhängigkeit der
Übergangszeiten zwischen den verschiedenen Stufen sowie einer Modellierung der experimentellen
Widerstandkurven werden Aktivierungsenergien für die einzelnen Teilprozesse bei der Ausscheidung
gewonnen. Insbesondere das Potential der dynamischen Positronen-Lebensdauermessung wird genutzt
um Informationen über die Mechanismen bei der Bildung von Atomclustern zu bekommen.

• Antragsteller: Professor Dr. John Banhart
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung von 2011 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 204304489

Im Projekt wurde ein Verfahren entwickelt, um Aluminiumschäume mit einer
homogenen Porenverteilung durch Gasinjektion herzustellen. Da viele Faktoren wie z.B. Temperatur,
Legierung, Partikelart, -anzahl und -form sowie insbesondere die Gasatmosphäre (Sauerstoffgehalt)
eine große Rolle spielen, soll deren Einfluss systematisch untersucht werden. Diese Untersuchungen
sind im Arbeitsprogramm näher beschrieben. Ein weiteres Ziel ist es, die Erkenntnis, dass einzelne
Filme mit wenigen und sogar ohne Partikel stabilisiert werden können, auf Metallschäume zu
übertragen. Würde dies gelingen, wären nicht nur die Verarbeitung (keine Sprödigkeit durch
Keramikpartikel) und die Wiederverwertbarkeit (Recycling) erheblich verbessert, sondern auch ein
Kostenvorteil gegeben, da partikelverstärkte Vormaterialien sehr teuer sind. Dies würde der
stagnierenden Marktentwicklung der Metallschäume einen neuen Schub geben, da in vielen Fällen der
Preis die Entscheidung für und den Einsatz von Metallschäumen verhindert. Dafür ist jedoch das
Erreichen eines weiteren Ziels notwendig: Die Herstellung submillimetergroßen Blasen getrennt durch
stabile, kleine Filme. Das wichtigste Ziel ist es aber, neben der Herstellung homogener Metallschäume,
eine genaue Beschreibung der Stabilität von flüssigen Metallschäumen bezüglich des Wirkens fester
Partikel und Sauerstoff auf der Grundlage der Erfahrungen mit dem Modellsystem metallischer Film im
flüssigen Zustand zu präsentieren und experimentell zu belegen.

• Antragsteller: Professor Dr. John Banhart; Dr. Francisco García-Moreno
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen, Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282420267

Metallschäume sind komplexe Systeme, die während ihrer Herstellung aus einer Gasphase, einer
flüssigen Metallphase und einer festen Phase in Form stabilisierender, nichtmetallischer Partikeln oder
Oxide zusammengesetzt sind. Das Wirken der stabilisierenden Partikeln und Oxide ist bisher nicht
vollständig verstanden. Die Untersuchung einzelner Metallfilme in einem Schaumgebilde im flüssigen
Zustand ist sehr schwierig, weshalb einzelnstehende, flüssige metallische Filme in einem Drahtrahmen
hergestellt werden sollen, um als Modellsystem der Zellwände in einem Schaum zu dienen. An solchen
Filmen können gezielt Eigenschaften wie minimale Dicke, Verteilung der Partikeln, Elastizität und
Stabilität bestimmt und die Einflüsse verschiedener Herstellungsparameter studiert werden. Besonders
wichtig ist die Anordnung der festen Partikeln in dem flüssigen Film und das Verständnis ihrer Rolle für
die Stabilität in Abhängigkeit der Oxidation der Filmoberfläche festzustellen. Dies soll ex-situ an
erstarrten, sowie in-situ an flüssigen Filmen mit Hilfe der Röntgenradioskopie erfolgen. Die
Untersuchungen werden Rückschlüsse auf die Metallschaumherstellung und -entwicklung ermöglichen.

• Antragsteller:  Professor Dr. John Banhart; Dr. Francisco García-Moreno
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung von 2010 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 169579067